超新星遗迹与LHAASO（下）

来源：现代物理知识杂志

超新星爆发后抛射的高速物质会驱动冲击波不停地扫集并加热、电离星际气体，累积在激波下游。在与前行激波和星际介质作用的同时，一个逆行激波在抛射物中向内传播并加热抛射物。前行、逆行激波的作用使得遗迹内部拥有一团高温等离子体，其温度能达到107K或更高的量级，以致于热辐射的典型光子能量在X射线波段。随着等离子体的冷却，辐射光子能量会向低能端移动，同时在特定时期产生离子的复合辐射。这一图像大致能解释观测到热辐射，但不能解释从射电到X射线乃至伽马射线的非热辐射。这说明，超新星遗迹内还有其他非热辐射过程。

根据现代电磁理论，当带电粒子具有加速度时，就会产生电磁辐射。而能造成粒子速度变化的原因有多种，如在磁场中洛伦兹力的影响，和光子、物质碰撞等等。在超新星遗迹环境中，通常有四种辐射机制能产生非热能谱。(1)同步加速辐射。现在普遍认为超新星遗迹射电到X射线的非热辐射就是来自高能电子的同步加速过程。(2)逆康普顿散射。在有高能电子的情况下，逆康普顿散射是一种非常重要的伽马射线产生机制。(3)非热轫制辐射。高能电子的非热轫制过程产生的光子的最大能量约为电子能量的1/3，因而也是一种非常重要的伽马射线产生机制。(4)质子质子碰撞。质子质子碰撞所独有的辐射特征，俗称中性π介子衰变“鼓包”，是区别其他辐射过程的重要指标。另一个特性是，产生光子的最大能量约为质子能量的1/10，因而也是一种重要的伽马射线产生机制。

从上面的几种机制可知：一方面，超新星遗迹的伽马射线有三种可能的产生机制，逆康普顿散射、非热轫制辐射和质子质子碰撞。前两种过程中，光子的能量来自高能电子，称为轻子起源。质子质子碰撞过程中，光子的能量来自高能质子，称为强子起源。如何分辨轻子起源和强子起源是当前超新星遗迹高能天体物理领域的热门前沿话题。一个大致的认识为：和分子云作用的遗迹的伽马射线主要来自强子过程，因为有足够的靶标产生强子伽马射线；而处于稀薄环境中的年轻遗迹则是轻子过程占主导；其他的可能是二者共同作用。当然，针对具体的源，要结合多波段观测，遗迹所处环境，认真甄别其伽马射线起源机制。

另一方面，无论何种机制产生伽马射线都需要非常高能的粒子，如粒子能量至少要到1013电子伏量级才能解释现有观测。如此高能的粒子如何产生？这就涉及超新星遗迹中的粒子加速问题。

恩利克·费米(图6)在这方面做了一些开创性工作，于1949年提出费米加速机制。他指出如果带电粒子和“磁云”(如磁场湍流)迎头散射，则粒子会增加能量，就如同用乒乓球拍(磁云)打击乒乓球(带电粒子)一样。当然如果是追尾散射，则粒子会损失能量。如果粒子能够在两个相互靠近的磁云间来回散射，那么粒子就会一直增加能量。激波刚好就提供了这样一个有相互靠近的“磁云”的天然环境。带电粒子在激波上下游间不停的穿越激波面时就持续性获得能量。这种费米加速机制应用到激波环境就是现在所说的“扩散激波加速”(简称DSA)。这个理论一经问世，就获得了很大的成功。如DSA理论预言的高能粒子的幂率谱指数为2，这和从射电观测推出的电子幂率指数基本一致，预言的超新星遗迹激波能加速的最大能量也能满足当前的伽马射线观测等。

尽管DSA理论取得了很大的成功，近些年也有进一步的发展，但仍然存在一些问题。比如：能量转化效率问题，DSA理论并不能限制到底有多少粒子能进入加速过程，也就不能给出到底有多少能量是用来加速相对论性粒子的。这些问题是当前研究的方向，其答案也和另一个话题——宇宙线起源——密切相关。

在巴德和兹威基提出超新星产生宇宙线的假说后，特别是DSA理论问世后，超新星遗迹也就和宇宙线紧密联系在了一起。宇宙线，即来自外太空的高能粒子，自1912发现以来，人们就一直在苦寻其源头。宇宙线是带电粒子，经磁场偏转到达地球后已失去了原有的方向信息，这使得找寻加速源困难重重，即使是百余年后的今天，仍然是一个谜。尽管如此，我们对宇宙线的理解已经有了很大的进步。

通过多代实验的努力，现在已经知道在宇宙线中，约有90%为质子，9%为氦核，电子、光子、其他重核构成了余下的1%。测得的宇宙线的能量从109电子伏到1020电子伏，横跨11个数量级。在如此宽的能量范围里，其能谱基本可用一个幂率谱描述，当然也有一些子结构，主要是“膝”( 3×1015 电子伏)和“踝”( 4×1018电子伏)处有小拐折。“膝”以下的能谱幂指数为2.7，且一般认为是银河系内起源。根据加速源限制高能粒子的能力，银河系中有一些备选源能够加速河内宇宙线，如超新星遗迹、脉冲星风云、超泡等。其中最引人瞩目的是超新星遗迹。

随着观测的深入和理解的加深，河内宇宙线的超新星遗迹起源说逐渐成为主流。这和超新星遗迹作为加速源所拥有的优势是分不开的。

 （1）能量。通过计算表明，按现在观测的银河系超新星爆发率，每个超新星遗迹只需要转化爆发能的1/10到高能粒子中，就能维持宇宙线的能量密度。

（2）直接的质子加速证据。费米卫星在IC 443、W44 和W51C这三个超新星遗迹中探测到了中性π介子衰变的特征“鼓包”，说明了质子至少被激波加速到了GeV量级。超新星遗迹也是目前唯一直接探测到质子加速证据的一类天体。

（3）幂率谱指数。测到的宇宙线谱指数为2.7，扣除传播效应后，加速源处粒子谱指数应为2.1~2.4，非常接近DSA 理论预言的粒子谱指数。

（4）最大能量和磁场放大。在激波压缩的星际磁场的条件下，超新星遗迹激波能加速的最大能量只到1014电子伏量级，比“膝”能量低了一个量级。若激波附件存在磁场放大机制，则最大能量在理论上就能达到“膝”能量。基于X射线观测，在年轻遗迹中，如仙后座A、第谷、RX J1713.7-3946等，局域磁场确实被放大了几十上百倍。

当然，上面的最后两点虽然是优势，也还存在实证上的缺陷。关于谱指数，DSA理论怎样让粒子的谱指数从2.0变陡到2.1~2.4 范围？当然，现在也有一些理论猜想，但还没达成统一认识。关于最大能量和磁场放大，现在直接观测到的磁场放大只在遗迹的局部，整个激波面处的磁场是否都放大还需进一步观测研究。关于加速粒子的最大能量，加速理论自身是没法给出限制的，只能由观测来给出，而目前的伽马射线观测没有给出限制，还有赖于下一代在更高能区运行的望远镜。

基于现有观测、理论，要确认超新星遗迹能否作为河内宇宙线的主要加速源，至少还需要观测论证两个事情：第一，能把质子加速到“膝”能量。能把粒子加速到“膝”能量区的宇宙天体称为PeV(1015电子伏)加速器，当前尤为受到科学家们的关注。第二，能把足够多的能量转化到宇宙线中，即是主要的加速源。为此，探测超新星遗迹的高能伽马射线也成了LHAASO实验的科学目标之一。

首先，“膝”能量的质子通过质子与质子碰撞产生的典型伽马光子能量在100TeV及以上，而由于散射截面的原因，轻子起源的伽马射线很难达到100TeV量级。因而在这样的能段里能避免甄别伽马射线轻、强子辐射属性的问题。因此，如果LHAASO实验能在超新星遗迹中探测到大于100TeV 以上的伽马射线，就能够直接证明超新星遗迹激波把粒子能加速到了“膝”能量区。

其次，在此能段最灵敏的LHAASO实验，一方面可以对单个源精确测量伽马射线能谱，限制某特定辐射源中转化给高能质子的能量，即能量转化效率，另一方面也可以扫描天区发现一批超新星遗迹，通过统计的方法对能量转化效率给出限制，判断超新星遗迹能否作为主要的加速源。可见，在100 TeV能段的伽马射线观测对找寻宇宙线加速源显得尤为重要，在这个能段运行的LHAASO实验就直接瞄准了宇宙线起源这个百年之谜。

超新星遗迹高能辐射、宇宙线起源及相关课题随着高能望远镜的发展取得了重大突破。建成后的LHAASO实验将是伽马射线100TeV 以上、宇宙线膝区能量附近最大最灵敏的实验。LHAASO观测有望回答前文提到的问题，加深人类对粒子加速、传播的认识，也将验证宇宙线超新星遗迹起源说，为河内宇宙线起源这一世纪难题给出解答。